FR2789406A1 - ALCuMg ALLOY PRODUCT FOR AIRCRAFT STRUCTURE ELEMENT - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un produit laminé, filé ou forgé en alliage AlCuMg, traité par mise en solution, trempe et traction à froid, destiné à la fabrication d'éléments de structure d'avion, de composition (% en poids)Fe < 0,15 Si < 0,15 Cu : 3,9 - 4,4 Mg : 1 - 1,5Mn 0,5 - 0,8 Zr : 0,08 - 0,15 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, et présentant un rapport Rm (L)/R0,2 (L) > 1,25. L'invention s'applique plus particulièrement à la fabrication d'intrados d'ailes, présentant un ensemble de propriétés (ténacité, vitesse de propagation de fissure, résistance à la fatigue, niveau de contraintes résiduelles) améliorées par rapport à l'alliage 2024.The subject of the invention is a rolled, extruded or forged product of AlCuMg alloy, treated by dissolving, quenching and cold pulling, intended for the manufacture of aircraft structural elements, of composition (% by weight) Fe <0.15 Si <0.15 Cu: 3.9 - 4.4 Mg: 1 - 1.5Mn 0.5 - 0.8 Zr: 0.08 - 0.15 other elements <0.05 each and < 0.15 in total, remains aluminum, and exhibiting a ratio Rm (L) / R0.2 (L)> 1.25. The invention applies more particularly to the manufacture of the lower surface of wings, exhibiting a set of properties (toughness, crack propagation speed, fatigue resistance, level of residual stresses) which are improved compared to alloy 2024. .
Description
II
Produit en alliage AlCuMg pour élément de structure d'avion. AlCuMg alloy product for aircraft structural element.
Domaine technique L'invention concerne des produits laminés, filés ou forgés en alliage AlCuMg trempés et tractionnés, destinés à la fabrication d'éléments de structure d'avion, notamment des panneaux de peau et des raidisseurs d'intrados de voilure, et présentant, par rapport aux produits de l'art antérieur utilisés pour la même application, un compromis amélioré entre les propriétés de résistance mécanique, de formabilité, de ténacité, de tolérance aux dommages et contraintes résiduelles. La désignation des alliages et des états métallurgiques correspond à la nomenclature de l'Aluminum TECHNICAL FIELD The invention relates to rolled, extruded or forged products of hardened and pulled AlCuMg alloy, intended for the manufacture of aircraft structural elements, in particular skin panels and airfoil pressure stiffeners, and having, compared to the products of the prior art used for the same application, an improved compromise between the properties of mechanical strength, formability, toughness, tolerance to damage and residual stresses. The designation of alloys and metallurgical states corresponds to the nomenclature of Aluminum
Association, reprise par les normes européennes EN 515 et EN 573. Association, taken over by European standards EN 515 and EN 573.
Etat de la technique Les ailes d'avions commerciaux de grande capacité comportent une partie supérieure (ou extrados) constituée d'une peau fabriquée à partir de tôles épaisses en alliage 7150 à l'état T651, ou en alliage 7055 à l'état T7751 ou 7449 à l'état T7951, et de raidisseurs fabriqués à partir de profilés du même alliage, et une partie inférieure (ou intrados) constituée d'une peau fabriquée à partir de tôles épaisses en alliage 2024 à l'état T351 ou 2324 à l'état T39, et de raidisseurs fabriqués à partir de profilés du STATE OF THE ART The wings of large-capacity commercial aircraft include an upper part (or extrados) consisting of a skin made from thick sheets of alloy 7150 in the T651 state, or of alloy 7055 in the T7751 state. or 7449 in the T7951 state, and stiffeners made from profiles of the same alloy, and a lower part (or intrados) made up of a skin made from thick sheets of alloy 2024 in the T351 or 2324 state in state T39, and stiffeners made from sections of the
même alliage. Les deux parties sont assemblées par des longerons et des nervures. same alloy. The two parts are assembled by side members and ribs.
L'alliage 2024 selon la désignation de l'Aluminum Association ou la norme EN 573-3 a la composition chimique suivante (% en poids): Si < 0,5 Fe < 0,5 Cu: 3,8 - 4,9 Mg: 1,2 - 1,8 Mn: 0,3 - 0,9 Cr<0,10 Zn < 0,25 Ti < 0,15 Différentes variantes ont été développées et déposées à l'Aluminum Association sous les désignations 2224, 2324 et 2424, avec notamment des teneurs plus limitées en silicium et en fer. L'alliage 2324 à l'état T39 a fait l'objet du brevet EP 0038605 (= US 4294625) de Boeing, dans lequel l'amélioration de la limite d'élasticité est obtenue par écrouissage à l'aide d'une passe de laminage à froid après trempe. Cet écrouissage tend à diminuer la ténacité et, pour compenser la baisse de ténacité, on diminue les teneurs en Fe, Si, Cu et Mg. Boeing a également développé l'alliage 2034 de composition: Si < 0,10 Fe < 0,12 Cu:-4,2-4,8 Mg: 1,3-1,9 Mn: 0,8- 1,3 Cr < 0,05 Zn < 0,20 Ti < 0,15 Zr: 0,08- 0,15 Cet alliage a fait l'objet du brevet EP 0031605 (= US 4336075). Il présente, par rapport au 2024 à l'état T351, une meilleure limite d'élasticité spécifique due à l'augmentation de la teneur en manganèse et à l'ajout d'un autre antirecristallisant Alloy 2024 according to the designation of the Aluminum Association or the standard EN 573-3 has the following chemical composition (% by weight): Si <0.5 Fe <0.5 Cu: 3.8 - 4.9 Mg : 1.2 - 1.8 Mn: 0.3 - 0.9 Cr <0.10 Zn <0.25 Ti <0.15 Different variants have been developed and deposited with the Aluminum Association under the names 2224, 2324 and 2424, with in particular more limited silicon and iron contents. Alloy 2324 in the T39 state was the subject of Boeing patent EP 0038605 (= US 4,294,625), in which the improvement in the yield strength is obtained by work hardening using a pass of cold rolling after quenching. This work hardening tends to decrease the toughness and, to compensate for the decrease in toughness, the Fe, Si, Cu and Mg contents are reduced. Boeing has also developed alloy 2034 of composition: Si <0.10 Fe <0.12 Cu: -4.2-4.8 Mg: 1.3-1.9 Mn: 0.8- 1.3 Cr <0.05 Zn <0.20 Ti <0.15 Zr: 0.08-0.15 This alloy was the subject of patent EP 0031605 (= US 4336075). It has, compared to 2024 in the T351 state, a better specific elastic limit due to the increase in the manganese content and the addition of another anti-crystallizer.
o0 (Zr), ainsi qu'une ténacité et une résistance à la fatigue améliorées. o0 (Zr), as well as improved toughness and fatigue resistance.
Le brevet EP 0473122 (= US 5213639) d'Alcoa décrit un alliage, enregistré à l'Aluminum Association comme 2524, de composition: Si < 0, 10 Fe < 0,12 Cu: 3,8 - 4,5 Mg: 1,2 - 1,8 Mn: 0,3 - 0,9 pouvant contenir éventuellement un autre antirecristallisant (Zr, V, Hf, Cr, Ag ou Sc). Cet alliage est destiné plus particulièrement aux tôles minces pour fuselage et présente une ténacité The patent EP 0473122 (= US 5213639) of Alcoa describes an alloy, registered with the Aluminum Association as 2524, of composition: Si <0.10 Fe <0.12 Cu: 3.8 - 4.5 Mg: 1 , 2 - 1.8 Mn: 0.3 - 0.9 which may optionally contain another anti-crystallizer (Zr, V, Hf, Cr, Ag or Sc). This alloy is intended more particularly for thin sheets for fuselage and exhibits toughness
et une résistance à la propagation de fissures améliorées par rapport au 2024. and improved crack propagation resistance compared to 2024.
La demande de brevet EP 0731185 de la demanderesse concerne un alliage, enregistré ultérieurement sous le n 2024A, de composition: Si < 0,25 Fe < 0,25 Cu:3,5 - 5 Mg: 1 - 2 Mn < 0,55 aveclarelation: 0 < Mn - 2Fe < 0,2 Les tôles épaisses en cet alliage présentent à la fois une tenacité améliorée et un The applicant's patent application EP 0731185 relates to an alloy, subsequently registered under No. 2024A, of composition: Si <0.25 Fe <0.25 Cu: 3.5 - 5 Mg: 1 - 2 Mn <0.55 with the relationship: 0 <Mn - 2Fe <0.2 The thick sheets of this alloy exhibit both improved toughness and
niveau réduit de contraintes résiduelles, sans perte sur les autres propriétés. reduced level of residual stresses, without loss on other properties.
Les brevets US 5863359 et US 5865914 d'Alcoa concernent respectivement une aile d'avion comportant un intrados en alliage de composition Cu:3,6 - 4 Mg: 1 - 1,6(préf: 1,15 - 1,5) Mn:0,3 - 0,7(préf.:0,5 - 0,6) Zr: 0,05 0,25 et préférentiellement Fe < 0,07 et Si < 0,05 présentant à la fois les propriétés suivantes - Ro,2(LT) > 60 ksi (414 MPa) et Kt1(L-T) > 38 ksiVinch (42 MPa'Im), et un procédé de fabrication d'un élément d'intrados ayant un Ro,2(LT) > 60 ksi comprenant la coulée d'un alliage de la composition précédente, une homogénéisation entre 471 et 482 C, une transformation à chaud à une température > 399 C, une mraise en solution au dessus de 488 C, une trempe, un écrouissage à froid de préférence de Alcoa's US Pat. Nos. 5863359 and US 5865914 respectively relate to an aircraft wing comprising a lower surface made of an alloy of composition Cu: 3.6 - 4 Mg: 1 - 1.6 (pref: 1.15 - 1.5) Mn : 0.3 - 0.7 (pref .: 0.5 - 0.6) Zr: 0.05 0.25 and preferably Fe <0.07 and Si <0.05 exhibiting both the following properties - Ro , 2 (LT)> 60 ksi (414 MPa) and Kt1 (LT)> 38 ksiVinch (42 MPa'Im), and a method of manufacturing an inner surface element having a Ro, 2 (LT)> 60 ksi comprising the casting of an alloy of the preceding composition, a homogenization between 471 and 482 C, a hot transformation at a temperature> 399 C, a mraise in solution above 488 C, a quenching, a cold hardening preferably of
plus de 9% et une traction d'au moins 1%. more than 9% and a traction of at least 1%.
Problème posé Pour la construction de nouveaux avions commerciaux de grande capacité, il est certes impératif de limiter le poids, de sorte que les cahiers des charges des constructeurs imposent des contraintes typiques plus élevées pour les panneaux de voilure, ce qui entraîne des valeurs minimales plus élevées pour les caractéristiques mécaniques statiques et la tolérance aux dommages des produits en alliage d'aluminium utilisés. L'utilisation de produits écrouis à l'état T39, tels que ceux préconisés dans les brevets US 5863359 et US 5865914, si elle conduit à des limites d'élasticité Ro,2 élevées, présente cependant un certain nombre d'inconvénients pour d'autres propriétés d'emploi importantes dans l'application visée. En effet, il en résulte un écart plastique, c'est-à-dire une différence entre la résistance à la rupture R,, et la limite d'élasticité R0,2, très réduit, ce qui entraîne une formabilité à froid plus faible et une moins bonne tenue en propagation de fissures de fatigue avec chargement à amplitude variable. En effet, le ralentissement de la propagation des fissures après Problem posed For the construction of new large-capacity commercial airplanes, it is of course imperative to limit the weight, so that the specifications of the manufacturers impose higher typical stresses for the wing panels, which results in lower minimum values. high for the static mechanical characteristics and damage tolerance of the aluminum alloy products used. The use of products hardened in the T39 state, such as those recommended in US Pat. Nos. 5863359 and US 5865914, although it leads to high elasticity limits Ro, 2, however, presents a certain number of drawbacks for other important usage properties in the intended application. Indeed, this results in a plastic deviation, that is to say a difference between the tensile strength R ,, and the elastic limit R0.2, very reduced, which results in a lower cold formability. and poorer resistance to fatigue crack propagation with variable amplitude loading. Indeed, the slowing down of the propagation of cracks after
surcharge partielle est moins important si l'écart plastique est réduit. partial overload is less if the plastic gap is reduced.
De plus, des pièces de plus grande dimension doivent être usinées sans distorsion dans des tôles plus épaisses, ce qui implique une meilleure maîtrise du niveau de contraintes In addition, larger parts must be machined without distortion in thicker sheets, which implies better control of the stress level.
résiduelles. Or, l'état T39 s'est révélé peu favorable de ce point de vue. residuals. However, the T39 state has proved unfavorable from this point of view.
Le but de l'invention est donc de fournir des produits en alliage AICuMg à l'état trempé et déformé à froid, destinés à la fabrication d'intrados d'ailes d'avion, et présentant, par rapport aux produits similaires de l'art antérieur, un compromis plus favorable pour l'ensemble des propriétés d'emploi: résistance mécanique, vitesse de propagation de fissures, ténacité, résistance à la fatigue, et taux de contraintes résiduelles. Objet de l'invention L'invention a pour objet un produit laminé, filé ou forgé en alliage AICuMg, traité par mise en solution, trempe et traction à froid, destiné à la fabrication d'éléments de structure d'avion, de composition (% en poids): Fe<0,15 Si<O, 15 Cu:3,9-4,4(préf:4,0-4,3) Mg: 1,0-1,5 Mn: 0,5 - 0,8 Zr: 0,08 - 0,15 autres éléments: < 0,05 chacun et < 0,15 au total, présentant un rapport RfI(L)/Roi,2(L) de la résistance à la rupture dans le sens L à The aim of the invention is therefore to provide products made of AICuMg alloy in the quenched and cold-deformed state, intended for the manufacture of the intrados of aircraft wings, and exhibiting, compared with similar products of the prior art, a more favorable compromise for all the use properties: mechanical strength, crack propagation speed, toughness, fatigue resistance, and residual stress rate. OBJECT OF THE INVENTION The subject of the invention is a rolled, extruded or forged product made of AICuMg alloy, treated by dissolving, quenching and cold pulling, intended for the manufacture of aircraft structural elements, of composition ( % by weight): Fe <0.15 Si <0.15 Cu: 3.9-4.4 (pref: 4.0-4.3) Mg: 1.0-1.5 Mn: 0.5 - 0.8 Zr: 0.08 - 0.15 other elements: <0.05 each and <0.15 in total, exhibiting an RfI (L) / Roi, 2 (L) ratio of tensile strength in the direction L to
la limite élastique dans le sens L, supérieur à 1,25 (et de préférence à 1,30). the elastic limit in the L direction, greater than 1.25 (and preferably 1.30).
Elle a également pour objet un produit laminé (une tôle) de méme composition d'épaisseur comprise entre 6 et 60 mm et présentant à l'état trempé et tractionné l'un au moins des groupes de propriétés suivantes; a) Résistance à la rupture R,(L) > 475 Mpa et limite d'élasticité RO, 2(L) > 370 MPa b) Ecart plastique Rn - Ro,2 sens L et TL > 100 MPa c) Facteur d'intensité critique (sens L-T) Kó > 170 MPa'Jm et Ko > 120 MPaVm It also relates to a rolled product (a sheet) of the same composition with a thickness of between 6 and 60 mm and having in the quenched and pulled state at least one of the following groups of properties; a) Tensile strength R, (L)> 475 Mpa and yield strength RO, 2 (L)> 370 MPa b) Plastic deviation Rn - Ro, 2 directions L and TL> 100 MPa c) Intensity factor critical (LT direction) Kó> 170 MPa'Jm and Ko> 120 MPaVm
(mesurés selon la norme ASTM E561 sur des éprouvettes entaillées prélevées à quart- (measured according to standard ASTM E561 on notched specimens taken at quarter-
épaisseur avec les paramètres B = 5 mm, W = 500 et 2ao = 165 mm) d) Vitesse de propagation de fissures (L-T) da/dn, mesurée selon la norme ASTM E 647 sur des éprouvettes entaillées prélevées à quart-épaisseur avec W = 200 mm et B = 5mm: < 10-4 mm/cycle pour AK = 10 MPa'm < 2,5 104 mm/cycle pour AK = 15 MPaVm et < 5 104 mm/cycle pour AK = 20 MPaIm Cette tôle présente également un niveau de contraintes résiduelles tel que la flèche f mesurée dans les sens L et TL après usinage à mi- épaisseur d'un barreau reposant sur deux supports distants d'une longueur I est telle que: f< (0,14 12)/e f étant mesurée en microns, l'épaisseur e de la tôle et la longueur I thickness with parameters B = 5 mm, W = 500 and 2ao = 165 mm) d) Crack propagation speed (LT) da / dn, measured according to standard ASTM E 647 on notched specimens taken at quarter thickness with W = 200 mm and B = 5mm: <10-4 mm / cycle for AK = 10 MPa'm <2.5 104 mm / cycle for AK = 15 MPaVm and <5 104 mm / cycle for AK = 20 MPaIm This sheet presents also a level of residual stresses such as the deflection f measured in the L and TL directions after mid-thickness machining of a bar resting on two supports spaced apart by a length I is such that: f <(0.14 12) / ef being measured in microns, the thickness e of the sheet and the length I
étant exprimées en mm.being expressed in mm.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un produit laminé, filé ou forgé comportant les étapes suivantes: - coulée d'une plaque ou d'une billette de la composition indiquée, - homogénéisation de cette plaque ou billette entre 450 et 500 C, - transformation à chaud et éventuellement à froid jusqu'au produit désiré, - mise en solution à une température comprise entre 480 et 505 C, - trempe à l'eau froide, traction à froid avec au moins 1,5% de déformation permanente, A subject of the invention is also a process for manufacturing a rolled, extruded or forged product comprising the following steps: - casting of a plate or a billet of the indicated composition, - homogenization of this plate or billet between 450 and 500 C, - hot and possibly cold transformation to the desired product, - solution at a temperature between 480 and 505 C, - cold water quenching, cold pulling with at least 1.5% permanent deformation,
- vieillissement naturel à l'ambiante. - natural aging at room temperature.
Description de l'inventionDescription of the invention
La composition chimique du produit diffère de celle du 2024 habituel par une teneur réduite en fer et silicium, avec de préférence Fe + Si < 0, 15%, une teneur plus élevée en manganèse et une addition de zirconium. Par rapport au 2034, on a une teneur en manganèse plus basse et une teneur en cuivre légèrement réduite. Par rapport à la composition des alliages décrits dans les brevets US 5863359 et US 5865914, la teneur en cuivre est plus élevée, ce qui permet de compenser, pour la résistance mécanique, l'écrouissage à froid moins élevé après trempe. D'une manière surprenante, ce domaine étroit de composition (notamment en ce qui concerne le manganèse), associé à des modifications de la gamme de fabrication, conduit, par rapport à l'art antérieur, à une amélioration significative du compromis entre la résistance mécanique, l'allongement et la tolérance aux dommages dans les conditions d'exploitation d'un avion civil de grande capacité. De plus, et de manière tout à fait inattendue, on observe, pour les produits épais, un faible taux de contraintes résiduelles, permettant un usinage sans distorsion de pièces de grande dimension. Le procédé de fabrication comporte la coulée de plaques, dans le cas o le produit à fabriquer est une tôle laminée, ou de billettes dans le cas o il s'agit d'un profilé filé ou d'une pièce forgée. La plaque ou la billette est scalpée, puis homogénéisée entre 450 et 500 C. On effectue ensuite la transformation à chaud par laminage, filage ou forgeage. Cette transformation se fait de préférence à une température plus élevée que les températures habituellement utilisées, la température de sortie étant supérieure à 420 C et de préférence à 440 C de manière à obtenir sur le produit traité une structure peu recristallisée, avec un taux de recristallisation au quart épaisseur inférieur à 20%, et de préférence à 10%. Le demi-produit laminé, filé ou forgé est ensuite mis en solution entre 480 et 505 C, de manière que cette mise en solution soit aussi complète que possible, c'est-à-dire que le maximum de phases potentiellement solubles, notamment les précipités A12Cu et AI2CuMg, soit effectivement en solution solide. La qualité de la mise en solution peut être appréciée par analyse enthalpique différentielle (AED) en mesurant l'énergie spécifique à l'aide de l'aire du pic sur le The chemical composition of the product differs from that of the usual 2024 by a reduced content of iron and silicon, with preferably Fe + Si <0.15%, a higher content of manganese and an addition of zirconium. Compared to 2034, we have a lower manganese content and a slightly reduced copper content. Compared to the composition of the alloys described in US Pat. No. 5,863,359 and US Pat. No. 5,865,914, the copper content is higher, which makes it possible to compensate, for mechanical strength, for the lower cold work hardening after quenching. Surprisingly, this narrow range of composition (in particular with regard to manganese), associated with modifications to the production range, leads, compared to the prior art, to a significant improvement in the compromise between strength. mechanical, elongation and damage tolerance under the operating conditions of a large capacity civil aircraft. In addition, and quite unexpectedly, a low rate of residual stresses is observed for thick products, allowing distortion-free machining of large parts. The manufacturing process comprises the casting of plates, in the case where the product to be manufactured is a rolled sheet, or of billets in the case of a extruded profile or a forged part. The plate or the billet is scalped, then homogenized between 450 and 500 C. The hot transformation is then carried out by rolling, extruding or forging. This transformation is preferably carried out at a temperature higher than the temperatures usually used, the outlet temperature being greater than 420 C and preferably at 440 C so as to obtain on the treated product a slightly recrystallized structure, with a recrystallization rate. a quarter thickness less than 20%, and preferably 10%. The rolled, spun or forged semi-finished product is then put into solution between 480 and 505 C, so that this dissolution is as complete as possible, that is to say that the maximum of potentially soluble phases, in particular the precipitates A12Cu and AI2CuMg, ie effectively in solid solution. The quality of the solution can be assessed by differential enthalpy analysis (DEA) by measuring the specific energy using the area of the peak on the
thermogramme. Cette énergie spécifique doit être, de préférence, inférieure à 2 J/g. thermogram. This specific energy should preferably be less than 2 J / g.
Puis on procède à la trempe à l'eau froide, et à une traction contrôlée conduisant à un allongement permanent d'au moins 1,5%. Le produit subit enfin un vieillissement naturel à température ambiante. Les produits selon l'invention présentent des caractéristiques mécaniques statiques nettement améliorées par rapport à l'alliage 2024-T351, utilisé actuellement pour les intrados d'aile d'avion, et à peine plus faibles que celles du 2034-T351. L'écart plastique et l'allongement élevés du matériau entrainent une excellente aptitude au formage à froid. La ténacité, mesurée par les facteurs d'intensité critique de contrainte en contrainte plane Kc et Kco est supérieure de plus de 10% à celle du 2024 et du 2034, et la vitesse de propagation de fissure da/dn est nettement améliorée par rapport à ces deux alliages, notamment pour les valeurs élevées de AK, et pour des chargements à amplitude variable. Les durées de vie en fatigue, mesurées sur des éprouvettes entaillées prélevées à mi-épaisseur dans le sens L, sont également améliorées de plus de 20% par rapport au 2024 et au 2034. Enfin, le niveau de contraintes résiduelles, mesuré par la flèche f après usinage à mi-épaisseur d'un barreau reposant sur deux supports distants d'une longueur 1, est plutôt bas, alors qu'on aurait pu s'attendre au contraire avec une structure fibrée. Cette flèche, mesurée en microns, est toujours inférieure au quotient (0,14 12)/e, la longueur 1 et Then one proceeds to quenching in cold water, and a controlled traction leading to a permanent elongation of at least 1.5%. The product finally undergoes natural aging at room temperature. The products according to the invention exhibit markedly improved static mechanical characteristics compared to the 2024-T351 alloy, currently used for airplane wing lower surfaces, and barely weaker than those of 2034-T351. The high plastic gap and elongation of the material results in excellent cold formability. The toughness, measured by the critical stress intensity factors in plane stress Kc and Kco is more than 10% higher than that of 2024 and 2034, and the crack propagation speed da / dn is markedly improved compared to these two alloys, in particular for the high values of AK, and for loadings with variable amplitude. The fatigue lifetimes, measured on notched specimens taken at mid-thickness in the L direction, are also improved by more than 20% compared to 2024 and 2034. Finally, the level of residual stresses, measured by the arrow f after machining at mid-thickness of a bar resting on two distant supports of a length 1, is rather low, whereas one could have expected on the contrary with a fiber structure. This deflection, measured in microns, is always less than the quotient (0.14 12) / e, the length 1 and
l'épaisseur e de la tôle étant exprimées en mm. the thickness e of the sheet being expressed in mm.
L'ensemble de ces propriétés font que les produits selon l'invention sont particulièrement bien adaptés à la fabrication d'éléments de structure d'avions, notamment des intrados d'ailes, mais également des profilés pour caisson de voilure, pour semelles de longerons et nervures assemblés et des peaux et raidisseurs de fuselage. All of these properties mean that the products according to the invention are particularly well suited to the manufacture of aircraft structural elements, in particular the lower surfaces of the wings, but also sections for wing box, for sole of spars. and assembled ribs and fuselage skins and stiffeners.
ExemplesExamples
On a coulé 3 plaques de largeur 1450 mm et d'épaisseur 446 mm respectivement en alliage 2024, 2034 et alliage selon l'invention. Les compositions chimiques (% en poids) des alliages sont données au tableau 1: Three plates 1450 mm wide and 446 mm thick, respectively, made of alloy 2024, 2034 and alloy according to the invention were cast. The chemical compositions (% by weight) of the alloys are given in Table 1:
Tableau 1Table 1
alliage Si Fe Cu Mg Mn ZrSi Fe Cu Mg Mn Zr alloy
2024 0,12 0,20 4,06 1,36 0,54 0, 002 2024 0.12 0.20 4.06 1.36 0.54 0.002
2034 0,05 0,07 4,30 1,34 0,98 0, 104 2034 0.05 0.07 4.30 1.34 0.98 0.14
invention 0,06 0,08 14,14 1,26 0,65 0, 102 Les plaques ont été scalpées, puis homogénéisées dans les conditions suivantes Pour le 2024, 2h à 495 C puis 5h à 460 C Pour le 2034, 5 h à 497 C Pour l'alliage selon l'invention, montée en 12 h et maintien de 6h à 483 C Une partie des tôles a été ensuite laminée à chaud jusqu'à une épaisseur de 40 mm par passes successives de l'ordre de 20 mm. Une autre partie des tôles a été laminée à chaud jusqu'à 15 mm. Pour l'alliage selon l'invention, la température d'entrée au laminage à chaud était de 467 C, la température de sortie à 40 mm de 465 C et celle à invention 0.06 0.08 14.14 1.26 0.65 0, 102 The plates were scalped, then homogenized under the following conditions For 2024, 2 h at 495 C then 5 h at 460 C For 2034, 5 h at 497 C For the alloy according to the invention, rise in 12 h and hold for 6 h at 483 C Part of the sheets was then hot rolled to a thickness of 40 mm by successive passes of the order of 20 mm. Another part of the sheets was hot rolled up to 15 mm. For the alloy according to the invention, the hot-rolling inlet temperature was 467 C, the outlet temperature at 40 mm was 465 C and that at
mm de 444 C.mm 444 C.
Les tôles ont été mises en solution dans les conditions suivantes 3h et 6h à 497 C pour les tôles en 2024 d'épaisseur respective 15 et 40 mm, 2h et 5h à 499 C pour les tôles en 2034 d'épaisseur 15 et 40 mm The sheets were dissolved under the following conditions 3h and 6h at 497 C for the 2024 sheets with a respective thickness of 15 and 40 mm, 2h and 5h at 499 C for the 2034 sheets with a thickness of 15 and 40 mm
9h à 497 C pour les tôles selon l'invention. 9 am at 497 C for the sheets according to the invention.
Après trempe à l'eau froide, toutes les tôles ont subi ensuite une traction contrôlée à After quenching in cold water, all the sheets were then subjected to a controlled traction at
2% d'allongement permanent.2% permanent elongation.
On a mesuré sur les tôles les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et TL, à savoir la résistance à la rupture RP (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% Ro,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %). Les résultats sont rassemblés au tableau 2 The static mechanical characteristics in the L and TL directions were measured on the sheets, namely the tensile strength RP (in MPa), the conventional yield strength at 0.2% Ro, 2 (in MPa) and l elongation at break A (in%). The results are collated in Table 2
Tableau 2Table 2
Alliage Epaisseur Sens. Ro,2 AAlloy Thickness Sens. Ro, 2 A
2024 40 L 468 362 20,02024 40 L 468 362 20.0
2024 40 TL 469 330 17,42024 40 TL 469 330 17.4
2024 15 L 462 360 21,22024 15 L 462 360 21.2
2024 15 TL 467 325 17,62024 15 TL 467 325 17.6
2034 40 L 534 416 11,22034 40 L 534 416 11.2
2034 40 TL 529 393 12,02034 40 TL 529 393 12.0
2034 15 L 548 431 13,82034 15 L 548 431 13.8
2034 15 TL 531 395 14,62034 15 TL 531 395 14.6
Invention 40 L 510 384 15, 4 Invention 40 TL 475 336 18,9 Invention 15 L 501 390 16,7 Invention 15 TL 491 351 19,1 On a mesuré également la ténacité par les facteurs d'intensité critique en contrainte plane Kc et Ko (en MPalm) dans le sens L-T, selon la norme ASTM E 561, sur des éprouvettes CCT, prélevées à quart- épaisseur, de largeur W = 500 mm, d'épaisseur B = 5 mm, et une entaille centrale usinée par électroérosion 2ao = 165 mm, agrandie par essai de fatigue jusqu'à 170 mm. Les résultats sont donnés au tableau 3 Tableau 3 Alliage Epaisseur K Kzo Invention 40 L 510 384 15, 4 Invention 40 TL 475 336 18.9 Invention 15 L 501 390 16.7 Invention 15 TL 491 351 19.1 The toughness was also measured by the critical intensity factors in plane stress Kc and Ko (in MPalm) in the LT direction, according to standard ASTM E 561, on CCT specimens, taken at quarter-thickness, width W = 500 mm, thickness B = 5 mm, and a central notch machined by spark erosion 2ao = 165 mm, enlarged by fatigue test up to 170 mm. The results are given in Table 3 Table 3 Alloy Thickness K Kzo
2024 40 143,4 105,22024 40 143.4 105.2
2034 40 128,8 97,82034 40 128.8 97.8
Invention 40 179,7 122Invention 40,179.7 122
2034 15 136,4 103,72034 15 136.4 103.7
Invention 15 173,6 124,3 On a mesuré également la vitesse de propagation de fissure de fatigue da/dn dans le sens L-T (en mm/cycle) pour différentes valeurs de AK (en MPaJm) selon la norme ASTM E 647. On utilise pour cela 2 éprouvettes CCT de largeur W = 200 mm et d'épaisseur B = 5 mm, prélevées à quart épaisseur de tôle dans le sens L-T. La longueur de l'entaille centrale usinée par électroérosion est de 30 mm, et cette entaille est agrandie par essai de fatigue à 40 mm. L'essai de mesure de vitesse de fissuration est effectué sur une machine MTS avec une sollicitation en R = 0,05 et une contrainte de 40 MPa, calculée pour obtenir une valeur de AK de 10 MPa'Im pour la longueur Invention 15 173.6 124.3 The fatigue crack propagation speed da / dn in the LT direction (in mm / cycle) was also measured for different values of AK (in MPaJm) according to the ASTM E 647 standard. uses for this 2 CCT specimens of width W = 200 mm and thickness B = 5 mm, taken at quarter sheet thickness in the LT direction. The length of the central notch machined by spark erosion is 30 mm, and this notch is enlarged by fatigue test to 40 mm. The cracking rate measurement test is carried out on an MTS machine with a stress in R = 0.05 and a stress of 40 MPa, calculated to obtain an AK value of 10 MPa'Im for the length
d'entaille de départ de 40 mm (résultats au tableau 4). 40 mm starting notch (results in Table 4).
Tableau 4Table 4
Alliage Ep. AK = 10 AK = 12 AK = 15 AK = 20 AK = 25 2024 40 9 I0o5 1,5 10-4 3,0 10-4 6 10-4 9 10o-3 Alloy Ep. AK = 10 AK = 12 AK = 15 AK = 20 AK = 25 2024 40 9 I0o5 1.5 10-4 3.0 10-4 6 10-4 9 10o-3
2034 40 8 10-5 1,5 104 3 104 5,7 10-4 1,7 10-3 2034 40 8 10-5 1.5 104 3 104 5.7 10-4 1.7 10-3
Inv. 40 5,5 10-5 1,7 10-4 2,0 10-4 4,0 104 7,8 104 2034 15 8 i0o- 1,5 10-4 3 104 5,2 10-4 2,1 03 Inv. 15 4,9 10' 6,0 10'5 1,3 10'4 2,5 10-4 5,4 10-4 Des essais de fatigue selon la spécification Airbus AITM 1-0011 ont été réalisés sur des éprouvettes à trou de longueur 230 mm, de largeur 50 mm et d'épaisseur 7,94 Inv. 40 5.5 10-5 1.7 10-4 2.0 10-4 4.0 104 7.8 104 2034 15 8 i0o- 1.5 10-4 3 104 5.2 10-4 2.1 03 Inv. 15 4.9 10 '6.0 10'5 1.3 10'4 2.5 10-4 5.4 10-4 Fatigue tests according to the Airbus AITM 1-0011 specification were carried out on test specimens with holes 230 mm long, 50 mm wide and 7.94 thick
mm, prélevée à mi-épaisseur de la tôle sens L. Le diamètre du trou est de 7,94 mm. mm, taken at mid-thickness of the L direction plate. The diameter of the hole is 7.94 mm.
On a appliqué une contrainte moyenne pleine éprouvette de 80 MPa avec 4 niveaux de contraintes alternées: 85 MPa, 55 MPa, 45 MPa et 35 MPa pour les tôles de 40 An average full specimen stress of 80 MPa was applied with 4 levels of alternating stresses: 85 MPa, 55 MPa, 45 MPa and 35 MPa for sheets of 40
mm, 110, 85, 55 et 45 MPa pour les tôles de 15 mm, avec 2 éprouvettes par niveau. mm, 110, 85, 55 and 45 MPa for 15 mm sheets, with 2 specimens per level.
Les valeurs moyennes de durée de vie (en nombre de cycles) sont indiqués au tableau 5. On constate que, pour des éprouvettes avec un facteur d'entaille K. = 2,5, la durée The average lifetime values (in number of cycles) are shown in Table 5. It is noted that, for specimens with a notch factor K. = 2.5, the duration
de vie en fatigue est améliorée de plus de 20% par rapport à l'alliage 2024. fatigue life is improved by more than 20% compared to alloy 2024.
Tableau 5Table 5
alliage Epaisseur 80 + 85 80 + 55 80 + 45 80 + 35 mm MPa MPa MPa MPa alloy Thickness 80 + 85 80 + 55 80 + 45 80 + 35 mm MPa MPa MPa MPa
2024 40 36044 1597212024 40 36044 159721
2034 40 30640 125565 340126 8393402034 40 30640 125565 340126 839340
invention 40 42933 219753 392680 1018240 invention 40 42933 219753 392680 1018240
2034 15 41040 204038 3529572034 15 41040 204038 352957
invention 15 45841 241932 429895 On a mesuré enfin les flèches f dans le sens L et TL, ainsi que le taux de recristallisation (en %) en surface, à quart-épaisseur et à mi-épaisseur, déterminé par invention 15 45841 241932 429895 Finally, the arrows f in the direction L and TL were measured, as well as the rate of recrystallization (in%) at the surface, at quarter-thickness and at mid-thickness, determined by
analyse d'image après attaque chimique de l'échantillon. image analysis after chemical attack of the sample.
La flèche f est mesurée de la manière suivante. On prélève dans la tôle d'épaisseur e deux barreaux, l'un appelé barreau sens L, de longueur b dans le sens de la longueur de la tôle (sens L), de largeur 25 mm dans le sens de la largeur de la tôle (sens TL) et d'épaisseur e selon la pleine épaisseur de la tôle (sens TC), l'autre, appelé barreau The deflection f is measured as follows. Two bars are taken from the sheet of thickness e, one called a bar L direction, of length b in the direction of the length of the sheet (direction L), of width 25 mm in the direction of the width of the sheet (direction TL) and thickness e according to the full thickness of the sheet (direction TC), the other, called bar
sens TL, ayant 25 mm dans le sens L, b dans le sens TL et e dans le sens TC. TL direction, having 25 mm in the L direction, b in the TL direction and e in the TC direction.
On usine chaque barreau jusqu'à mi-épaisseur et on mesure la flèche à milongueur du barreau. Cette flèche est représentative du niveau de contraintes internes de la tôle et de son aptitude à ne pas se déformer à l'usinage. La distance I entre les supports était de 180 mm et la longueur b des barreaux de 200 mm. L'usinage est un usinage Each bar is machined to mid-thickness and the deflection is measured at mid-length of the bar. This deflection is representative of the level of internal stresses of the sheet and of its ability not to deform during machining. The distance I between the supports was 180 mm and the length b of the bars was 200 mm. Machining is machining
mécanique progressif avec des passes d'environ 2 mm. La mesure de la flèche à mi- progressive mechanics with passes of about 2 mm. The measurement of the deflection at mid
longueur s'effectue à l'aide d'un comparateur d'une résolution d'un micron. Les résultats concernant les flèches et les taux de recristallisation sont donnés au tableau 6. Il length is performed using a comparator with a resolution of one micron. The results concerning the arrows and the recrystallization rates are given in Table 6. It
Tableau 6Table 6
alliage Epaisseur fL (inm) fTL (km) Taux recr. Taux recr. Taux recr (Surf.) % (1/4 ép.) % ('/2 ép.)% alloy Thickness fL (inm) fTL (km) Recr. Recruit rate Recruit rate (Surf.)% (1/4 ep.)% ('/ 2 ep.)%
2024 40 210 120 79 58 302024 40 210 120 79 58 30
2034 40 147 129 12 0 02034 40 147 129 12 0 0
Invention 40 86 75 46 5 2Invention 40 86 75 46 5 2
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